Daba cilvēkam ir devusi dažādus enerģijas avotus: sauli, vēju, upes un citus. Šo bezmaksas enerģijas ģeneratoru trūkums ir stabilitātes trūkums. Tāpēc enerģijas pārpalikuma periodos tā tiek glabāta uzglabāšanas ierīcēs un iztērēta īslaicīgas lejupslīdes periodos. Enerģijas uzglabāšanas ierīces raksturo šādi parametri:
- uzkrātās enerģijas daudzums;
- tā uzkrāšanās un atgriešanas ātrums;
- īpatnējais svars;
- enerģijas uzglabāšanas laiks;
- uzticamība;
- ražošanas un uzturēšanas izmaksas un citas.
Ir daudzi veidi, kā organizēt braucienus. Viena no ērtākajām ir klasifikācija pēc glabāšanas ierīcē izmantotās enerģijas veida un pēc tās uzkrāšanas un atgriešanas metodes. Enerģijas uzglabāšanas ierīces ir sadalītas šādos galvenajos veidos:
- mehāniska;
- termiskā;
- elektrisks;
- ķīmiska.
Potenciālās enerģijas uzkrāšanās
Šo ierīču būtība ir vienkārša. Paceļot kravu, tiek uzkrāta potenciālā enerģija, nolaižot, tā veic lietderīgu darbu. Dizaina īpašības ir atkarīgas no kravas veida. Tas var būt ciets, šķidrs vaiirdena viela. Parasti šāda veida ierīču konstrukcijas ir ārkārtīgi vienkāršas, līdz ar to augsta uzticamība un ilgs kalpošanas laiks. Uzkrātās enerģijas uzglabāšanas laiks ir atkarīgs no materiālu izturības un var sasniegt gadu tūkstošus. Diemžēl šādām ierīcēm ir zems enerģijas blīvums.
Kinētiskās enerģijas mehāniskā uzglabāšana
Šajās ierīcēs enerģija tiek uzkrāta ķermeņa kustībā. Parasti tā ir oscilējoša vai translējoša kustība.
Kinētiskā enerģija svārstību sistēmās ir koncentrēta ķermeņa abpusējā kustībā. Enerģija tiek piegādāta un patērēta porcijās, laikā ar ķermeņa kustību. Mehānisms ir diezgan sarežģīts un kaprīzs uzstādījumā. Plaši izmanto mehāniskajos pulksteņos. Uzkrātās enerģijas daudzums parasti ir mazs un ir piemērots tikai pašas ierīces darbībai.
Ar žiroskopu darbināmas atmiņas ierīces
Kinētiskās enerģijas krājums ir koncentrēts rotējošā spararatā. Spararata īpatnējā enerģija ievērojami pārsniedz līdzīgas statiskās slodzes enerģiju. Ir iespējams saņemt vai izvadīt ievērojamu jaudu īsā laika periodā. Enerģijas uzglabāšanas laiks ir īss, un lielākajai daļai dizainu tas ir ierobežots līdz dažām stundām. Mūsdienu tehnoloģijas ļauj palielināt enerģijas uzkrāšanas laiku līdz vairākiem mēnešiem. Spararati ir ļoti jutīgi pret triecieniem. Ierīces enerģija ir tieši atkarīga no tās griešanās ātruma. Tāpēc enerģijas uzkrāšanās un atgriešanas procesā notiek spararata griešanās ātruma izmaiņas. Un tādai slodzei kāparasti ir nepieciešams nemainīgs, zems griešanās ātrums.
Daudzsološākas ierīces ir superspararati. Tie ir izgatavoti no tērauda lentes, sintētiskās šķiedras vai stieples. Dizains var būt blīvs vai tajā var būt tukša vieta. Ja ir brīva vieta, lentes spoles virzās uz griešanās perifēriju, mainās spararata inerces moments, daļa enerģijas tiek uzkrāta deformētajā atsperē. Šādās ierīcēs rotācijas ātrums ir stabilāks nekā cietās konstrukcijās, un to enerģijas patēriņš ir daudz lielāks. Tie ir arī drošāki.
Mūsdienu super spararati ir izgatavoti no Kevlar šķiedras. Tie griežas vakuuma kamerā uz magnētiskās suspensijas. Spēj uzkrāt enerģiju vairākus mēnešus.
Mehāniskā uzglabāšana, izmantojot elastīgus spēkus
Šāda veida ierīce spēj uzglabāt milzīgu specifisku enerģiju. No mehāniskajām piedziņām vislielākā enerģijas intensitāte ir ierīcēm, kuru izmēri ir vairāki centimetri. Lieliem spararatiem ar ļoti lielu griešanās ātrumu ir daudz lielāks enerģijas saturs, taču tie ir ļoti neaizsargāti pret ārējām ietekmēm, un tiem ir īsāks enerģijas uzglabāšanas laiks.
Pavasara enerģijas mehāniskā uzglabāšana
Spējas nodrošināt augstāko mehānisko jaudu jebkurā enerģijas uzglabāšanas klasē. To ierobežo tikai atsperes stiepes izturība. Enerģiju saspiestā atsperē var uzglabāt vairākas desmitgades. Tomēr pastāvīgas deformācijas dēļ metālā uzkrājas nogurums un atsperes kapacitātesamazinās. Tajā pašā laikā augstas kvalitātes tērauda atsperes piemērotos ekspluatācijas apstākļos var darboties simtiem gadu bez ievērojama jaudas zuduma.
Atsperu funkcijas var veikt jebkuri elastīgie elementi. Piemēram, gumijas lentes ir desmitiem reižu pārākas par tērauda izstrādājumiem uzkrātās enerģijas ziņā uz masas vienību. Taču gumijas kalpošanas laiks ķīmiskās novecošanas dēļ ir tikai daži gadi.
Mehāniskās uzglabāšanas ierīces, kas izmanto saspiestu gāzu enerģiju
Šāda veida ierīcē enerģija tiek uzglabāta, saspiežot gāzi. Enerģijas pārpalikuma klātbūtnē gāze zem spiediena tiek iesūknēta cilindrā, izmantojot kompresoru. Ja nepieciešams, turbīnas vai elektriskā ģeneratora pagriešanai izmanto saspiestu gāzi. Pie mazas jaudas turbīnas vietā vēlams izmantot virzuļmotoru. Gāzei tvertnē zem simtiem atmosfēru spiediena ir augsts īpatnējais enerģijas blīvums vairākus gadus, bet ar augstas kvalitātes veidgabaliem - gadu desmitiem.
Siltuma enerģijas uzkrāšana
Lielākā daļa mūsu valsts teritorijas atrodas ziemeļu reģionos, tāpēc ievērojamu daļu enerģijas ir spiesti tērēt apkurei. Šajā sakarā ir regulāri jāatrisina problēma, kas saistīta ar siltuma saglabāšanu piedziņā un nepieciešamības gadījumā no tā izvadīšanu.
Vairumā gadījumu nav iespējams sasniegt lielu uzkrātās siltumenerģijas blīvumu un nozīmīgus tās saglabāšanas periodus. Esošās efektīvas ierīcesdažu tā īpašību un augstās cenas dēļ nav piemērotas plašam pielietojumam.
Uzglabāšana siltuma jaudas dēļ
Šis ir viens no senākajiem veidiem. Tas ir balstīts uz siltumenerģijas uzkrāšanas principu, kad viela tiek uzkarsēta, un siltuma pārneses principu, kad tā tiek atdzesēta. Šādu disku dizains ir ārkārtīgi vienkāršs. Tas var būt jebkuras cietas vielas gabals vai slēgts trauks ar šķidru dzesēšanas šķidrumu. Siltumenerģijas akumulatoriem ir ļoti ilgs kalpošanas laiks, gandrīz neierobežots enerģijas uzkrāšanas un izlaišanas ciklu skaits. Taču uzglabāšanas laiks nepārsniedz vairākas dienas.
Elektriskās enerģijas uzglabāšana
Elektroenerģija ir ērtākais tās veids mūsdienu pasaulē. Tāpēc elektriskās atmiņas ierīces tiek plaši izmantotas un visattīstītākās. Diemžēl lētu ierīču īpatnējā jauda ir maza, un ierīces ar lielu īpatnējo jaudu ir pārāk dārgas un īslaicīgas. Elektriskās enerģijas uzglabāšanas ierīces ir kondensatori, jonistori, baterijas.
Kondensatori
Šis ir vismasīvākais enerģijas uzglabāšanas veids. Kondensatori spēj darboties temperatūrā no -50 līdz +150 grādiem. Enerģijas uzkrāšanas-atgriešanas ciklu skaits ir desmitiem miljardu sekundē. Paralēli pieslēdzot vairākus kondensatorus, var viegli iegūt nepieciešamo kapacitāti. Turklāt ir mainīgi kondensatori. Šādu kondensatoru kapacitātes maiņu var veikt mehāniski vai elektriski vai ar temperatūru. Visbiežāk mainīgos kondensatorus var atrastoscilācijas ķēdes.
Kondensatori ir sadalīti divās klasēs – polārajos un nepolārajos. Polāro (elektrolītisko) kalpošanas laiks ir īsāks nekā nepolāro, tie ir vairāk atkarīgi no ārējiem apstākļiem, bet tajā pašā laikā tiem ir lielāka īpatnējā jauda.
Tā kā enerģijas uzglabāšanas kondensatori nav pārāk veiksmīgas ierīces. Tiem ir maza ietilpība un nenozīmīgs uzkrātās enerģijas īpatnējais blīvums, un tās uzglabāšanas laiks tiek aprēķināts sekundēs, minūtēs, retāk stundās. Kondensatori ir atraduši pielietojumu galvenokārt elektronikā un energoelektrotehnikā.
Kondensatora aprēķins, kā likums, nesagādā grūtības. Visa nepieciešamā informācija par dažāda veida kondensatoriem ir sniegta tehniskajās rokasgrāmatās.
Ionistori
Šīs ierīces atrodas starppozīcijā starp polārkondensatoriem un baterijām. Tos dažreiz sauc par "superkondensatoriem". Attiecīgi tiem ir milzīgs skaits uzlādes-izlādes posmu, jauda ir lielāka nekā kondensatoriem, bet nedaudz mazāka nekā maziem akumulatoriem. Enerģijas uzglabāšanas laiks ir līdz pat vairākām nedēļām. Jonistori ir ļoti jutīgi pret temperatūru.
Barošanas akumulatori
Elektroķīmiskās baterijas tiek izmantotas, ja nepieciešams uzkrāt daudz enerģijas. Šim nolūkam vislabāk piemērotas svina-skābes ierīces. Tie tika izgudroti apmēram pirms 150 gadiem. Un kopš tā laika akumulatora ierīcē nekas principiāli jauns nav ieviests. Ir parādījušies daudzi specializēti modeļi, komponentu kvalitāte ir ievērojami palielinājusies,akumulatora uzticamība. Jāatzīmē, ka dažādu ražotāju radītā akumulatora ierīce dažādiem mērķiem atšķiras tikai ar nelielām detaļām.
Elektroķīmiskos akumulatorus iedala vilces un iedarbināšanas akumulatoros. Vilce tiek izmantota elektrotransportā, nepārtrauktās barošanas avotos, elektroinstrumentos. Šādām baterijām ir raksturīga ilgstoša vienmērīga izlāde un lielais dziļums. Startera akumulatori var nodrošināt lielu strāvu īsā laikā, taču dziļa izlāde tiem nav pieņemama.
Elektroķīmisko akumulatoru uzlādes-izlādes ciklu skaits ir ierobežots, vidēji no 250 līdz 2000. Pat ja tos neizmanto, tie pēc dažiem gadiem sabojājas. Elektroķīmiskās baterijas ir jutīgas pret temperatūru, tām ir nepieciešams ilgs uzlādes laiks, un tām ir nepieciešama stingra apkope.
Ierīce periodiski jāuzlādē. Transportlīdzeklī uzstādītais akumulators tiek uzlādēts kustībā no ģeneratora. Ziemā ar to nepietiek, auksts akumulators slikti uzņem uzlādi, un palielinās elektroenerģijas patēriņš dzinēja iedarbināšanai. Tāpēc ir nepieciešams papildus uzlādēt akumulatoru siltā telpā ar īpašu lādētāju. Viens no būtiskiem svina-skābes ierīču trūkumiem ir to lielais svars.
Baterijas mazjaudas ierīcēm
Ja nepieciešamas mobilās ierīces ar mazu svaru, izvēlieties šādus akumulatoru veidus: niķeļa-kadmija,litija jonu, metāla hibrīda, polimēru jonu. Viņiem ir lielāka īpatnējā jauda, bet cena ir daudz augstāka. Tos izmanto mobilajos tālruņos, klēpjdatoros, kamerās, videokamerās un citās mazās ierīcēs. Dažādu veidu akumulatori atšķiras pēc to parametriem: uzlādes ciklu skaita, glabāšanas laika, ietilpības, izmēra utt.
Lieljaudas litija jonu akumulatori tiek izmantoti elektriskajos transportlīdzekļos un hibrīdautomobiļos. Tiem ir mazs svars, liela īpatnējā ietilpība un augsta uzticamība. Tajā pašā laikā litija jonu akumulatori ir ļoti viegli uzliesmojoši. Aizdegšanās var rasties no īssavienojuma, mehāniskas deformācijas vai korpusa iznīcināšanas, akumulatora uzlādes vai izlādes režīma pārkāpumiem. Ugunsgrēka dzēšana ir diezgan sarežģīta litija augstās aktivitātes dēļ.
Baterijas ir daudzu ierīču pamats. Piemēram, enerģijas uzkrāšanas ierīce tālrunim ir kompakts ārējais akumulators, kas ievietots izturīgā, ūdensnecaurlaidīgā korpusā. Tas ļauj uzlādēt vai barot mobilo tālruni. Jaudīgas mobilās enerģijas uzglabāšanas ierīces spēj uzlādēt jebkuras digitālās ierīces, pat klēpjdatorus. Šādās ierīcēs, kā likums, ir uzstādīti lieljaudas litija jonu akumulatori. Enerģijas uzglabāšana mājām arī nav pilnīga bez akumulatoriem. Bet tās ir daudz sarežģītākas ierīces. Papildus akumulatoram tie ietver lādētāju, vadības sistēmu un invertoru. Ierīces var darboties gan no fiksētā tīkla, gan no citiem avotiem. Izejas jauda ir vidēji 5 kW.
Diskiķīmiskā enerģija
Atšķiriet "degvielas" un "bezdegvielas" piedziņas veidus. Tiem nepieciešamas īpašas tehnoloģijas un bieži vien apjomīgs augsto tehnoloģiju aprīkojums. Izmantotie procesi ļauj iegūt enerģiju dažādās formās. Termoķīmiskās reakcijas var notikt gan zemā, gan augstā temperatūrā. Augstas temperatūras reakcijas sastāvdaļas tiek ieviestas tikai tad, ja nepieciešams iegūt enerģiju. Pirms tam tie tiek glabāti atsevišķi, dažādās vietās. Zemas temperatūras reakcijas sastāvdaļas parasti atrodas vienā konteinerā.
Enerģijas uzglabāšana, darbinot degvielu
Šī metode ietver divus pilnīgi neatkarīgus posmus: enerģijas uzkrāšanu ("uzlāde") un tās izmantošanu ("izlāde"). Tradicionālajai degvielai, kā likums, ir liela īpatnējā enerģijas jauda, ilgstošas uzglabāšanas iespēja un lietošanas vienkāršība. Bet dzīve nestāv uz vietas. Jaunu tehnoloģiju ieviešana izvirza paaugstinātas prasības degvielai. Uzdevums tiek atrisināts, uzlabojot esošās un radot jaunas, augstas enerģijas degvielas.
Plašu jaunu paraugu ieviešanu kavē tehnoloģisko procesu nepietiekama attīstība, augsta uguns un sprādzienbīstamība darbā, nepieciešamība pēc augsti kvalificēta personāla, augstās tehnoloģiju izmaksas.
Bezdegvielas ķīmiskās enerģijas uzkrāšana
Šāda veida uzglabāšanā enerģija tiek uzkrāta, pārvēršot dažas ķīmiskās vielas citās. Piemēram, dzēstie kaļķi, karsējot, pāriet dzēstā kaļķa stāvoklī. Izlādējoties, uzkrātā enerģijaizdalās kā siltums un gāze. Tieši tā notiek, kad kaļķi tiek dzēsti ar ūdeni. Lai reakcija sāktos, parasti pietiek ar komponentu apvienošanu. Būtībā šī ir sava veida termoķīmiska reakcija, tikai tā notiek simtiem un tūkstošiem grādu temperatūrā. Tāpēc izmantotais aprīkojums ir daudz sarežģītāks un dārgāks.
